web analytics

Εντροπία

Η θερμότητα θεωρείται κατώτερη μορφή ενέργειας διότι λόγω της τυχαίας μοριακής κίνησης δεν μπορεί να συγκεντρωθεί, να συλλεχθεί και να μετασχηματιστεί αποτελεσματικά. Αλλά εάν τα μόρια είναι ιόντα αερίου σε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο, η κίνησή τους ευθυγραμμίζεται και προσανατολίζεται. Η γραμμική κίνηση προκαλεί διακυμάνσεις στο μαγνητικό πεδίο που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Η εντροπία S είναι ένα καταστατικό μέγεθος και μπορούμε να υπολογίσουμε τη μεταβολή της σε μια διεργασία χρησιμοποιώντας ΔS = ΔQ/T. Εάν το εφαρμόσουμε σε μια  ισόθερμη μεταβολή για ένα ιδανικό αέριο, αποδεικνύεται ότι το ΔS σχετίζεται μόνο με αλλαγή όγκου ή πίεσης: ΔS = nRln(Vf/Vi) = nRln(Pi/Pf)
n=αριθμός μορίων, Vi=αρχικός όγκος, Vf=τελικός όγκος, Ρi=αρχική πίεση, Pf=τελική πίεση
Εάν εξάγετε μια ποσότητα θερμότητας dQ τότε dQ<0 => dS<0 => Vi>Vf (συμπίεση αερίου). Όταν η κίνηση περιορίζεται σε μικρότερο όγκο θεωρούμε ότι είναι λιγότερο τυχαία. Η τυχαιότητα συνδέει την εντροπία με τη μαθηματική θεωρία των πιθανοτήτων.

Η εντροπία S δεν είναι μόνο συνάρτηση της θερμοκρασίας T, S=f(T). Ο ορισμός του Clausius είναι διαφορικός: dS=dQ/T, δεν είναι πάντα εύκολο να ολοκληρώσεις αυτό. Διατηρώντας το T σταθερό, αν εξάγετε μια ποσότητα θερμότητας dQ από το σύστημα, μειώνετε την αταξία των μορίων. Παράδειγμα: Κατάψυξη νερού σε πάγο στους 0 oC. Εάν εισάγετε μια ποσότητα dQ στο σύστημα, τότε αυξάνετε την αταξία των μορίων. Παράδειγμα: Νερό που βράζει στους 100 oC. Τα μόρια διέρχονται από μια πιο «τακτοποιημένη» κατάσταση (υγρό) σε μια λιγότερο «τακτοποιημένη» κατάσταση (αέριο).  Αυτή είναι η εντροπία του Clausius. Υπάρχουν επίσης του Boltzmann, Shannon, Renyi, Tsallis, Kolmogorov, Deng, Wald, Pauling, του Κανιαδάκη & άλλοι ορισμοί. Είναι μια μεγάλη συζήτηση για το τι είναι πραγματικά η εντροπία. Οι Kondepudi & Prigogine στο βιβλίο τους Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures εξηγούν πως βρίσκει εφαρμογή στα πεδία της φυσικής και της χημείας.

Η έννοια της εντροπίας ευθυγραμμίζεται με τη μαθηματική θεωρία πιθανοτήτων. Σε ένα μονωμένο σύστημα από την τυχαία κίνηση των μορίων προκύπτουν πολλές καταστάσεις οπότε η πιθανότητα επαναφοράς σε μία δεδομένη “αρχική” ελαττώνεται: η εντροπία δεν μειώνεται: ΔS ≥ 0. Μόνο υπό ορισμένες συνθήκες σε αντιστρεπτές μεταβολές μπορεί να μείνει αμετάβλητη. Οι πλείστες μεταβολές όμως στη φύση δεν είναι αναστρέψιμες => η εντροπία αυξάνεται => υπάρχει το βέλος του χρόνου! ένα άνυσμα” με αρχή το παρελθόν, μέτρο που αυξάνεται και τέλος το μέλλον.

Μονωμένο σύστημα μπορεί να θεωρηθεί και το σύμπαν, αφού δεν μπορεί  να ανταλλάξει ύλη ή ενέργεια με κάτι “άλλο”. Έτσι η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται. Αυτή είναι μια άλλη διατύπωση του 2ου νόμου της Θερμοδυναμικής.

Το 2021 διεξήχθη το διεθνές συνέδριο “Εντροπία: το επιστημονικό εργαλείο του 21ου αιώνα” με τη δική μου συμμετοχή.

Loading

Subscribe
Ειδοποίηση για
3 Σχόλια
Inline Feedbacks
Όλα τα σχόλια
Γιάννης Κυριακόπουλος
Αρχισυντάκτης

Μπράβο Ηλία!
Έχω γράψει παλιότερα:
Εντροπία μέρος πρώτο.
Εντροπία μέρος δεύτερο.

Διδάσκαμε κάτι από Εντροπία στις Δέσμες.

Βασίλειος Μπάφας
29/02/2024 5:53 ΜΜ

Καλησπέρα σε όλους.
Με προλάβατε Ηλία, συγχαρητήρια βέβαια, Γιάννη κι εσύ παλιότερα, γιατί αυτό τον καιρό ετοιμάζουν για εντροπία. Όμως θα το συνεχίσω σε άλλο στυλ που θέλω να την παρουσιάσω.
Αν επιτραπεί να πω νομίζω η θερμότητα δεν είναι μορφή ενέργειας.
Μορφή ενέργειας είναι η θερμική.
Κατώτερη μορφή ενέργειας είναι η θερμική ενέργεια χαμηλής θερμοκρασίας.
Γι αυτό στον κύκλο Carnot παίζει ρόλο η Τ στην απόδοση.
Ή θερμότητα όπως και το έργο είναι τρόποι ανταλλαγής και μεταφοράς ενέργειας.
Μπορεί όμως να κάνω και λάθος. Να είστε καλά.